永磁无刷直流电机电压前馈补偿控制方法研究.pdf

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1、第2期赵昭等．永磁无刷直流电机电压前馈补偿控制方法研究167永磁无刷直流电机电压前馈补偿控制方法研究赵昭李练兵(河北工业大学控制科学与工程学院．天津300130)摘要针对永磁无剧直流电机运行中的转矩脉动问题，通过分析其运行过程，论述了永磁无刷直流电机移相运行时，反电动势对电机运行性能造成的不利影响。提出了通过加入电压前馈补偿的方法来改善电机性能，保证电机转矩平滑的方法。经验证，该方法可行，且达到了减小转矩波动的目的。关键词永磁无刷直流电机电压前馈反电势转矩脉动中图分类号TH862+7文献标识码A文章编号l000．3932(2012)02—0167．04永磁无刷直流电机由于其结构简

2、单、运行可靠、维护方便、运行效率高以及无励磁损耗等诸多优点，应用越来越广泛。该电机最突出的问题就是有转矩脉动，转矩脉动会降低电力传动系统控制特性和驱动系统的可靠性，并带来谐振、噪声及振动等问题。因此，抑制永磁无刷直流电机转矩脉动是提高其控制性能的关键。永磁无刷直流电机产生转矩脉动的原因可归纳为：电磁因素引起的转矩脉动、电流换向引起的转矩脉动、齿槽引起的转矩脉动、电枢反应影响以及机械工艺引起的转矩脉动等⋯。文中所涉及的永磁无刷直流电机运行过程中的电压前馈补偿方法即为为保证提高电机高速运行时转矩平滑性而建立的补偿方法，通过对激磁电动势进行补偿，解决了电机端电压畸变的问题，使电机在运行

3、中转矩平滑，改善电机性能。1永磁无刷直流电机的感应电动势理论上永磁无刷直流电机主磁场为矩形波磁场。转子转动时会在定子中产生感应电动势，该感应电动势由激磁电动势和电枢反应电动势组成，且与电动机外加电压方向不一致，它的存在严重影响了电机的运行性能。为了简化研究方法、便于构建模型，笔者只考虑激磁电动势对电机的影响。永磁无刷直流电机磁场形成原理与直流无刷电机类似，因此永磁无刷直流电机定子中的感应电动势大小可以等价为直流无刷机电枢电动势‘21：耻争扣=篇zx幼盖=兰毋n=e卸(1)虽然理论上永磁无刷直流电机的磁场分布"1为矩形波，但是在实际制造过程中磁场分布一般为类似正弦的状态，因此感应电

4、动势也相应为类似正弦的分布。图1所示的是某公司生产的永磁无刷直流电机反电势波形，感应电动势波形近似正弦波，以下进行分析时都将用正弦波表示反电势波形。>≥幽雹图l永磁无刷直流电机感应电动势线电压由式(1)可知，对于永磁无刷直流电机而言，感应电动势幅值与转速成正比，对图1的任何一个上半周波形进行积分可得：层。=fB如sin甜tdt(2)其中，t7：砌，t=霄／∞，则：即ft／。‰sin础(3)对式(3)进行积分得E．=2Bfr，由此可知，电机在一个电角度周期内，感应电动势产生的能量与转速无关，为笔者采用的前馈补偿提供了简便收藕日期：2011一ll伪(修改稿)168化工自动化及仪表第3

5、9卷易行且精确度很高的补偿方法。由于端电压U=E。+，。尺，永磁无刷直流电机的电磁转矩r：六，导』、r：B。，f，I导Ⅳ：罢!事，。：厶二二1ToC，中，。，由此可知，当端电压u保持不变时，E。变大，L相应会变小，进而使转矩变小，鉴于此，假如能实时补偿E。，使，。保持不变，对稳定转矩意义重大。2反电势的计算由永磁无刷直流电机的构造可知，其转子为永磁体，定子线圈通过外加电源产生旋转磁场，经由电磁感应驱动转子旋转，在此过程中转子永磁体会对定子线圈产生感应电动势，此时U=E。+，。R。由于永磁无刷直流电机的转子磁场类似正弦，因此定子线圈所产生的感应电动势在转速很高时会对转矩平滑性产生很

6、大的影响，该反电势波形计算为：层．=E。。sin∞t(4)式中，角速度∞可由DsP计算得出，E。。为导体感应电动势的有效值，定子线圈A、B、C相，感应电动势的波形一样，只不过B、C相在相位上分别滞后于A相120。和240。。实际应用中，感应电动势的波形取决于转子永磁体供磁磁场、定子绕组空间分布和转子转速。由上述推导可知，电机在一个电周期内对电动势积分为常数，从能量角度来看也就是感应电动势在一个电周期内产生的能量为常数，与转速无关。由此，对电机感应电动势峰值的估算只要能测出电机某一段时间内的波形即可得到峰值E。。。3电压前馈补偿笔者所论述的电压前馈补偿中，对永磁直流无刷电机采用移相

7、控制Ho的方法。移相控制时，任意状态下只有分属不同桥臂的两个功率管导通，这时会在定子线圈产生矩形电压脉冲。当电机启动后，感应电动势E。将导致输入电压发生畸变；当转速较高时，畸变严重，此时将影响电机转矩平滑。为了最大程度消除感应电动势对控制效果带来的负面影响，拟在产生感应电动势时增大PwM占空比，用以补偿由感应电动势带来的压降，该方法亦称为电压前馈补偿法。永磁直流无刷电机的三相定子绕组为Y形连接，采用移相通电的控制方式时，任意状态下只有分属不同桥臂的两个功率管导通，并且每隔60。电